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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur diffusen
Ausleuchtung eines linienförmigen Bereichs gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
der industriellen Bildverarbeitung werden für viele Anwendungen
Flächenkameras verwendet. Bei bewegten Gegenständen,
Endlosmaterial sowie rotationssymmetrischen Körpern werden
dagegen meist Zeilenkameras eingesetzt. Diese Kameras besitzen lichtempfindliche
Elemente (Pixel), die in einer Reihe angeordnet sind; sie werden
daher auch als Zeilenkameras bezeichnet. Der Vorteil dieser Kameras
liegt darin, dass bewegte Gegenstände ohne nennenswerte
Bewegungsunschärfe aufgenommen werden können.
Darüber hinaus kann die Mantelfläche rotierender
Körper als Abwicklung dargestellt werden. Ebenso können
Profilmaterialien beliebiger Länge ohne Unterbrechung aufgenommen
werden. Der schwerwiegendste Nachteil ist darin zu sehen, dass diese
Kameras mit sehr geringen Belichtungszeiten zu betreiben sind, insbesondere
wenn die Bewegung mit hoher Geschwindigkeit erfolgt. Geringe Belichtungszeiten
erfordern eine extrem helle Beleuchtung. Oftmals ist die Bewegungsgeschwindigkeit
in einer Zeilenkameraanwendung begrenzt durch die Beleuchtungsstärke
der Beleuchtung.
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1 zeigt
die flächenhafte Anordnung von Pixeln einer bekannten Flächenkamera,
während in 2 die zeilenförmige
Anordnung der Pixel einer herkömmlichen Zeilenkamera dargestellt
ist.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 wird im
Folgenden eine Flächenkamera mit einer Zeilenkamera verglichen.
Beide Kameras nehmen innerhalb von 20 ms eine Fläche auf,
die 2000 × 2000 Pixel entspricht. Im Fall der Flächenkamera
steht die zu prüfende Gegenstandsfläche still,
im Fall der Zeilenkamera bewegt sie sich innerhalb von 20 ms unter der
Kamerazeile hindurch. Die Flächenkamera besitzt 2000 × 2000
Pixel, die Belichtungszeit beträgt 20 ms. Die Zeilenkamera
besitzt 2000 × 1 Pixel, die Belichtungszeit 20 ms/2000
= 10 μs. Die Belichtungszeit der Zeilenkamera ist somit
um den Faktor 2000 niedriger als die der Flächenkamera.
Auch die Flächenkamera kann den Gegenstand in Bewegung
aufnehmen, allerdings darf hierzu die Belichtungszeit ebenfalls
nicht höher als 10 μs sein.
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Bei
dem oben aufgezeigten Beispiel steht für die Zeilenkamera
nur ein Bruchteil von 1/2000 an Licht zur Verfügung. Besonders
dramatisch ist dieser Effekt bei einer indirekten, diffusen Beleuchtung
der Oberfläche, da hier prinzipbedingt weniger Licht zur Verfügung
steht. Genau eine solche diffuse Beleuchtung wird aber benötigt,
wenn glänzende Oberflächen beleuchtet und inspiziert
werden sollen. Insbesondere metallische Oberflächen erfordern
eine indirekte, diffuse Beleuchtung, da sonst Lichtreflexe einer
direkten Beleuchtung die Bildaufnahme, beispielsweise im Rahmen
einer Oberflächenqualitätsprüfung des
metallischen Gegenstands, extrem stören.
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Bekannt
sind Beleuchtungen für Zeilenkameras, welche Licht auf
einen linienförmigen Bereich konzentrieren, sogenannte
Linienbeleuchtungen. Der linienförmige Bereich entspricht
dabei im Wesentlichen dem Bereich, der von den zeilenförmig
angeordneten Pixeln der Zeilenkamera, also von deren Sensorzeile
aufgenommen wird. Als Lichtquelle werden beispielsweise Gasentladungslampen
mit Faseroptiken, Halogenbeleuchtungen und vor allem LED-Beleuchtungen
verwendet. Zur Abbildung des Lichts auf einen linien förmigen
Bereich kommen Faseroptiken und/oder spezielle Abbildungsoptiken zum
Einsatz, insbesondere astigmatische Abbildungen wie Zylinderlinsen.
Allen diesen Beleuchtungen ist gemeinsam, dass sie mit gerichteter
Beleuchtung arbeiten. Das Licht wird nur aus einer oder einigen wenigen
Raumrichtungen auf das Objekt gelenkt. Insbesondere existieren derzeit
keine Linienbeleuchtungen, die das Objekt aus einem breiten Raumwinkelbereich
ausleuchten, also diffus ausleuchten, um auch glänzende
Gegenstände mit einer Zeilenkamera aufnehmen zu können.
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Die
Anforderungen an die Beleuchtung scheinen nicht erfüllbar
zu sein. Eine hohe Beleuchtungsstärke erfordert eine Bündelung
des Lichts. Je stärker allerdings gebündelt wird,
umso mehr ist das Licht gerichtet, was wie oben bereits erläutert
wurde, besonders nachteilig für die Aufnahme von glänzenden,
beispielsweise metallischen Gegenständen ist. Andererseits
erzeugt eine diffuse Beleuchtung aus vielen Raumrichtungen eine
breite Streuung des Lichts, sodass geringe Beleuchtungsstärken
erreicht werden, was wiederum nachteilig für die Bildaufnahme
mit einer Zeilenkamera ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine diffuse Beleuchtung mit gleichzeitig
sehr hoher Beleuchtungsstärke eines linienförmigen
Bereichs zu schaffen, welche den Anforderungen für Zeilenkameras
genügt.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zur diffusen
Ausleuchtung eines linienförmigen Bereichs vorgeschlagen,
welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Sie zeichnet sich
dadurch aus, dass mindestens eine Lichtquelle nahe des zu beleuchtenden
linienförmigen Bereichs positioniert wird, und dass ein
Streukörper mit retroreflektierenden Eigenschaften und/oder
einer retroreflektierenden Beschichtung verwendet wird. Die Position
der Lichtquelle gegenüber dem zu beleuchtenden linienförmigen
Bereich wird dabei so gewählt, dass das an dem Streukörper
retroreflektierte Licht der Lichtquelle auf den zu beleuchtenden
linienförmigen Bereich fällt.
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Es
kommt somit ein Streukörper zum Einsatz, mittels dessen
das Objekt aus verschiedenen Raumrichtungen beleuchtet werden kann.
Hierdurch wird eine diffuse Ausleuchtung des linienförmigen Bereichs
eines zu inspizierenden, bewegten Objekts erzielt. Insbesondere
kann der Streukörper als Halbkugel, Kugel, Ellipsoid, Zylinder,
Ebene, Freiformfläche oder Teilen hiervon ausgeführt
sein. Er ist vorzugsweise mit einer an sich bekannten retroreflektierenden
Schicht versehen, insbesondere mit einem Lack, einer Folie oder
dergleichen. Alternativ kann der Streukörper selbst retroreflektierende
Eigenschaften aufweisen. Aus dem Stand der Technik bekannte retroreflektierende
Materialien weisen die Eigenschaft auf, dass Licht, welches auf
das retroreflektierende Material trifft, genau in die Richtung zurückreflektiert
wird, aus der es auf das Material trifft und zwar weitgehend unabhängig
von der Ausrichtung des Materials, beziehungsweise von der Richtung,
aus der der Lichtstrahl kommt. Diese Eigenschaft eines Materials
ist auch als sogenannter Katzenaugeneffekt bekannt. Eine Besonderheit
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die
retroreflektierende Schicht großflächig auf dem
Streukörper vorgesehen ist, welcher die Lichtquellen vorzugsweise
in einem großen Raumwinkelbereich umschließt und
Licht in Richtung des Streukörperinneren, beziehungsweise
in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert. Die retroreflektierende
Schicht bildet also vorzugsweise eine Hülle um die Lichtquellen,
insbesondere dann, wenn der Streukörper als (Halb-)Kugel ausgebildet
ist und wirft das Licht an den Ort seiner Entstehung zurück.
Die Form des Streukörpers ermöglicht es, dass
Licht aus möglichst vielen Raumrichtungen, bis hin zum
gesamten Halbraum oder sogar dem gesamten Raum auf das Objekt trifft.
Insbesondere geschieht dies bei einem halbkugelförmigen Streukörper
oder einem wesentlichen Teil hiervon. Bei der Halbkugel beträgt
der Raumwinkel vom Zentrum aus gesehen 2π, also die Hälfte
des gesamten möglichen Raumwinkels von 4π. Die
Anwendung von retroreflektierenden Schichten für diffuse
Beleuchtungen aus großen Raumwinkeln, beispielsweise einem
Raumwinkel in der Größenordnung von π oder
sogar bis zu 2π ist Besonderheit des erfinderischen Verfahrens,
beziehungsweise der erfinderischen Vorrichtung. Darüber
hinaus stellt es eine Besonderheit dar, dass retroreflekierende
Schichten zur Erzeugung einer diffusen Beleuchtung verwendet werden.
Es werden eine oder mehrere Lichtquellen geeignet positioniert,
sodass ihr Licht vom Streukörper an den Ort der Lichtquelle/n
zurückreflektiert wird. Hierbei sind verschiedene Anordnungen
denkbar.
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Besonders
bevorzugt wird eine Vorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass
mindestens eine Lichtquelle die Form einer Linie oder näherungsweise
die Form einer Linie aufweist. Auch kann vorgesehen sein, dass mehrere
einzelne Lichtquellen, die eine Gruppe bilden können, entlang
einer Linie angeordnet sind, die auch verschiedene Beleuchtungsverteilungen
auf dem Streukörper erzeugen können. Dadurch kann
die Beleuchtungsstärke des zu inspizierenden Objekts noch
verstärkt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird außerdem ein Verfahren
vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 19 aufweist. Es zeichnet
sich dadurch aus, dass der Streukörper mit Licht von mindestens einer
Lichtquelle beleuchtet wird und dass das Licht an dem Streukörper
reflektiert und in den Umgebungsbereich der mindestens einen Lichtquelle
zurückgestrahlt wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze der flächenhaften Anordnung von Pixeln einer
bekannten Flächenkamera;
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2 eine
Prinzipskizze der zeilenförmigen Anordnung von Pixeln einer
herkömmlichen Zeilenkamera;
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3 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung;
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6a(1) eine Prinzipskizze einer Draufsicht auf
eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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6a(2) eine Prinzipskizze einer Seitenansicht auf
die Vorrichtung gemäß 6a(1);
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6b–d
Prinzipskizzen der Vorrichtung gemäß 6a in verschiedenen Betriebszuständen
der Vorrichtung;
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7 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung mit Gruppen von Lichtquellen;
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8 eine
Prinzipskizze einer weiteren Vorrichtung mit Gruppen von Lichtquellen,
und
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9 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß einer fünften
Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt
eine Prinzipskizze einer Vorrichtung 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung. Der obere Teil der 3 zeigt
die Vorrichtung 1 in einer Draufsicht, während
der untere Teil der 3 die Vorrichtung 1 in
Seitenansicht zeigt.
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Die
Vorrichtung 1 weist eine Lichtquelle S1 auf, die im Innern
eines Streukörpers SK angeordnet ist, der retroreflektierende
Eigenschaften aufweist und/oder der mit einer retroreflektierenden
Beschichtung versehen ist. Der Streukörper SK ist hier
beispielhaft als Halbkugel ausgeführt und weist für
die Aufnahme eines zu inspizierenden Objekts mit einer Kamera eine
Blendenöffnung B auf. Insbesondere kann die Lichtquelle
S1 im Zentrum der Halbkugel oder in der Umgebung hierzu positioniert
sein.
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Ein
Lichtstrahl R1, der beispielhaft für viele andere Lichtstrahlen
steht, wird von der Lichtquelle S1 ausgestrahlt und trifft auf den
Streukörper SK. Durch die retroreflektierenden Eigenschaften
des Streukörpers SK und/oder durch dessen retroreflektierende
Be schichtung wird ein Strahl R1' von dem Streukörper SK
zurück an den Ort der Lichtquelle S1 reflektiert.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung 1 sind
mehrere Lichtquellen S1 entlang einer Linie L' vorgesehen, worauf
in der Beschreibung zu den 5 und 6a bis 6d noch
näher eingegangen wird. Das Licht geht von Orten entlang
einer Linie aus und wird demnach auch wieder entlang einer Linie
konzentriert, was einer Linienbeleuchtung mit höchster
Intensität entspricht. Alternativ kann eine Lichtquelle
S1 mit linienartiger Ausdehnung verwendet werden, auch hier wird
das Licht wieder entlang der Linie konzentriert. Die linienartige
Ausbildung der Lichtquelle S1 wird im Folgenden in der Beschreibung
zu 4 näher erläutert.
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4 zeigt
eine Prinzipskizze einer Vorrichtung 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile sind
mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die Beschreibung
zu 3 verwiesen wird. Der obere Teil der 4 zeigt
die Vorrichtung 1 in einer Draufsicht, während
der untere Teil der 4 die Vorrichtung 1 in
Seitenansicht zeigt.
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4 zeigt
eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die Lichtquelle
S1 linienförmig ausgebildet ist, die durch das Zentrum
des halbkugelförmigen Streukörpers SK mit retroreflektierenden
Eigenschaften und/oder mit einer retroreflektierender Beschichtung
verläuft. Die Lichtquelle S1 kann alternativ auch in einer
Umgebung des Zentrums angeordnet sein.
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Ein
Lichtstrahl R1, der beispielhaft für viele andere Lichtstrahlen
steht, wird von der Lichtquelle S1 ausgestrahlt und trifft auf den
Streukörper SK. Durch die retroreflektierenden Eigenschaften
des Streukörpers SK und/oder dessen retroreflektierende Beschichtung
wird der Lichtstrahl R1' von dem Streukörper SK an den
Ort der Lichtquelle S1 zurückreflektiert.
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Bei
der bisherigen Betrachtung wurde davon ausgegangen, dass es sich
um eine ideale retroreflektierende Schicht, beziehungsweise um einen Streukörper
SK mit idealen retroreflektierenden Eigenschaften handelt. Das Licht
wird bei einer idealen Retroreflektion exakt an den Ort seiner Entstehung, also
an den Ort der Lichtquelle S1 zurückreflektiert. Reale
retroreflektierende Schichten aber werfen das Licht in eine nahe
Umgebung der Lichtquelle S1 zurück, sodass es also gewisse
Abweichungen in der Richtung des reflektierten Lichts, nämlich
den sogenannten Streubereich, beziehungsweise Streuwinkel gibt.
Um noch eine Ausleuchtung des linienförmigen Bereichs L
des zu inspizierenden Objekts zu erreichen, muss die Lichtquelle
S1 demnach so nah an dem linienförmigen Bereich angeordnet
sein, dass er noch in dem Streubereich des reflektierten Lichts
angeordnet ist.
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Bei
einem Streukörper SK mit realen retroreflektierenden Eigenschaften
und/oder einer entsprechenden Beschichtung ist die Beleuchtungsstärke am
Ort der Lichtquelle S1 also geringer als bei einer idealen retroreflektierenden
Beschichtung oder einem idealen retroreflektierenden Material.
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Darüber
hinaus können verschiedene retroreflekierende Materialien
unterschiedliche Streuwinkel und/oder Streubereiche aufweisen. Zunächst scheint
diese Eigenschaft nur hinderlich zu sein. Der Streubereich lässt
sich allerdings vorteilhaft einsetzen, wenn die Lichtquelle S1 und
das auszuleuchtende Objekt sich nicht an exakt derselben Position
im Raum befinden. Dies ist meistens der Fall, da sich die Lichtquelle
S1 und das hier nicht dargestellte auszuleuchtende Objekt körperlich
nicht an derselben Position im Raum befinden können, ohne
dass es zu einer Kollision der Lichtquelle S1 und dem zu inspizierenden
Objekt kommt.
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Vor
diesem Hintergrund ist bei einer weiteren besonders vorteilhaften
Ausgestaltung der Vorrichtung 1 vorgesehen, dass das Licht
von einer linienförmigen Lichtquelle S1 und/oder von mehreren
in einer Linie angeordneten Lichtquellen S1 ausgeht. Der auszuleuchtende
linienförmige Bereich L des Objekts verläuft vorzugsweise
parallel zu den linienförmig angeordneten Lichtquellen
S1. Der auszuleuchtende linienförmige Bereich L des Objektes
befindet sich in einem, vorzugsweise parallel zu den linienförmig
angeordneten Lichtquellen S1, beziehungsweise zu der linienförmig
ausgebildeten Lichtquelle S1.
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5 zeigt
eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen dritten
Ausführungsform der Vorrichtung 1 mit mehreren
linienförmig angeordneten Lichtquellen S1. Gleiche Teile
sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die
Beschreibung zu den vorangegangenen Figuren verwiesen wird. Der
obere Teil der 5 zeigt die Vorrichtung 1 in
einer Draufsicht, während der untere Teil der 5 die
Vorrichtung 1 in Seitenansicht zeigt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass der auszuleuchtende linienförmigen
Bereich L in geringem Abstand von der durch die Lichtquelle/n S1
gebildeten Linie L' entfernt angeordnet ist. Insbesondere ist der
Streuwinkel und/oder der Streubereich SB des retroreflektierenden
Bereichs so groß, dass der auszuleuchtende Bereich, das
heißt also der Bereich, in dem der linienförmigen
Bereich L angeordnet ist, in den Streubereich SB fällt,
dieser andererseits aber noch so klein ist, dass keine unnötig
große Umgebung des auszuleuchtenden Bereichs bestrahlt
wird. Dadurch kann die Konzentration des Lichts so groß wie
möglich ausfallen, und die Beleuchtungsstärke am
Ort des auszuleuchtenden linienförmigen Bereichs L wird
maximiert.
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Insgesamt
zeigt sich, dass eine relative Positionierung der Lichtquelle S1
und des zu beleuchtenden linienförmigen Bereichs L derart
erfolgen muss, dass der linienförmige Bereich L in jedem
Fall in dem Streubereich SB des reflektierten Lichts angeordnet ist.
Da der Streubereich SB von unterschiedlichen Faktoren abhängt,
kann die Position der Lichtquelle S1 nahe dem linienförmigen
Bereich L variieren und jeweils an die verschiedenen Gegebenheiten,
wie verschiedene Materialien oder ähnliches, angepasst sein.
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In
dem oberen Teil der 5 sind mehrere Lichtquelle S1
erkennbar, die derart angeordnet sind, dass sie eine Linie L' bilden.
Erkennbar ist außerdem der halbkugelförmige Streukörper
SK mit retroreflektierenden Eigenschaften und/oder mit einer retroreflektierenden
Beschichtung.
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Die
Lichtquellen S1 sind also, wie oben bereits erwähnt wurde,
entlang der Linie L' angeordnet, die vorzugsweise, wie hier dargestellt,
parallel zu dem auszuleuchtenden linienförmigen Bereich
L verläuft und nahe diesem angeordnet ist.
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Ein
in dem unteren Teil der 5 erkennbarer Lichtstrahl R1,
der beispielhaft für viele andere Lichtstrahlen steht,
wird von der Lichtquelle S1 ausgestrahlt und trifft auf den Streukörper
SK. Durch die realen und eben nicht idealen retroreflektierenden
Eigenschaften des Streukörpers SK und/oder dessen retroreflektierende
Beschich tung wird eine Vielzahl von Lichtstrahlen R1' in den, in
dem oberen Teil der 5 erkennbaren Streubereich SB
nahe der Lichtquelle S1 zurückreflektiert, sodass die reflektierten Lichtstrahlen
R1' in dem Streubereich SB den auszuleuchtenden linienförmigen
Bereich L bedecken, beziehungsweise diesen beleuchten.
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Die 6a(1) und 6a(2) bis 6d zeigen
Prinzipskizzen einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der
Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen,
sodass insofern auf die Beschreibung zu den vorangegangenen Figuren
verwiesen wird.
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In
der weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung 1 gemäß den 6a(1) und 6a(2) bis 6d sind
die Lichtquellen S1 entlang von zwei Linien L'1 und L'2 angeordnet,
die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Diese Linien L'1
und L'2 sind vorzugsweise symmetrisch und parallel zu dem auszuleuchtenden
linienförmigen Bereich L angeordnet. Die Lichtquellen S1
sind nahe desjenigen linienförmigen Bereichs L angeordnet, welcher
von der hier nicht dargestellten Zeilenkamera beziehungsweise von
deren Sensorzeile, erfasst wird.
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Die
Lichtquellen S1 der ersten Linie L'1 und der zweiten Linie L'2 können
jeweils auch als eine einzige oder mehrere linienartige Lichtquelle
S1 ausgeführt sein. Alternativ können mehrere
einzelne Lichtquellen S1 jeweils entlang der beiden Linien L'1 und
L'2 angeordnet sein, wie dies in den 6a bis 6d dargestellt
ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass es sich bei den Lichtquellen S1 um LED-Lichtquellen
handelt. Diese Lichtquellen können nahezu punktförmig, flächig
oder linienförmig ausgeprägt sein. Besonders häufig
weisen LED-Lichtquellen eine sehr kleine leuchtende Fläche
auf und können näherungsweise als Punklichtquellen
betrachtet werden. Solche LED-Lichtquellen können unterschiedliche
Abstrahlcharakteristiken besitzen. Neben Charakteristiken mit schmalem
Abstrahlwinkel können gerade LEDs mit breiter Abstrahlcharakteristik,
insbesondere mit Lambert'scher Abstrahlcharakteristik vorteilhaft eingesetzt
werden. Das Licht wird auf diese Weise in einen großen
Raumwinkelbereich Ω abgestrahlt und wird demnach auch aus
einem breiten Raumwinkelbereich Ω zurückreflektiert.
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Vorzugsweise
werden die Lichtquellen S1 jeweils auf einem Träger T,
insbesondere aber auf ein und demselben Träger befestigt,
welcher im Bereich des auszuleuchtenden linienförmigen
Bereichs L einen Schlitz S aufweist, welcher die Sicht auf den zu prüfenden
linienförmigen Bereich L eines Objekts freigibt.
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Insbesondere
kann der Träger T, der beispielsweise aus Metall besteht,
zur guten Wärmeableitung der Verlustleistung, in Form einer
kreisrunden Trägerplatte T mit Schlitz S ausgeführt
sein, wie es in den 6a(1) und 6b bis 6d dargestellt
ist. Denkbar ist es auch, den Schlitz S für einen optimalen
Zugang des Lichts zu dem auszuleuchtenden linienförmigen
Bereich L mit einer Fase F zu versehen, sodass dieser also abgeschrägt
ausgebildet ist, was in der Seitenansicht gemäß 6a(2) deutlich erkennbar ist.
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Wie
In 6a(2) deutlich zu erkennen ist, sind
die Lichtquellen S1 und der zu beleuchtende linienförmige
Bereich L in zwei verschiedenen horizontalen Ebenen angeordnet,
sodass ein bewegtes zu inspizierendes Objekt in Richtung des Pfeils
P unter dem Träger T und dem Streukörper SK befördert werden
kann, während jeweils ein linienförmiger Bereich
L des hier nicht dargestellten, beispielsweise bandförmigen
Objekts von den Lichtquellen S1, S2, S3 und S4 indirekt, nämlich
mittels des Streukörpers SK beleuchtet wird.
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Es
wird außerdem deutlich, dass eine Anordnung der Lichtquellen
S1, S2, S3 und S4 und des linienförmigen Bereichs L in
verschiedenen horizontalen Ebenen ohne Weiteres möglich
ist, solange der linienförmige Bereich L noch in dem Streubereich
SB angeordnet ist, also von dem reflektierten Licht R1' noch beleuchtet
wird. Auf diese Weise ist es auch möglich, die Vorrichtung 1,
insbesondere auch mit einer Zeilenkamera, als kompakte Einheit auszuführen,
die beispielsweise in einen Produktionsprozess ohne besonderen Aufwand
einfach integriert werden kann, indem sie beispielsweise einfach über
einem Fließband platziert wird. Die Dimensionen der Vorrichtung 1,
das heißt also die Größe und Form des Streukörpers
SK, die Stärke und Anzahl der Lichtquellen S1 sowie die
Größe des Schlitzes S, können einfach
an das jeweilige zu inspizierende Objekt angepasst werden.
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Vorzugsweise
ist noch vorgesehen, dass die Lichtquellen S1 entlang der beiden
Linien L'1 und L'2 einzeln und/oder in Gruppen angesteuert werden. Insbesondere
können die Lichtquellen S1 so ausgerichtet, insbesondere
gekippt werden, dass unterschiedliche Bereiche des Streukörpers
SK unterschiedlich ausgeleuchtet werden. Insbesondere kann damit
die nordöstliche, die nordwestliche, die südöstliche
und die südwestliche Hemisphäre oder andere Bereiche
des Streukörpers SK von den Lichtquellen S1, S2, S3 und
S4 beleuchtet werden. Auf diese Weise ist eine großflächige
Beleuchtung des Streukörpers SK und damit eine hohe Beleuchtungsstärke des
linienförmigen Bereichs L möglich.
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Denkbar
ist es auch, die Streukörperoberfläche flächig
zu kodieren, wie dies in der
WO 2004/051186 A1 beschrieben ist und das
Verfahren der photometrischen Deflektometrie und/oder des photometrischen
Stereo auszuführen.
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Die 6a bis 6d zeigen
mehre Gruppen von Lichtquellen S1, S2, S3 und S4 entlang der zwei
Linien L'1 und L'2 auf einem Träger T und einen halbkugelförmigen
Streukörper SK mit retroreflektierenden Eigenschaften und/oder
mit einer zumindest bereichsweise vorgesehenen retroreflektierenden Beschichtung.
Die Lichtquellen S1 sind entlang der zwei Linien L'1 und L'2 parallel
zu dem auszuleuchtenden linienförmigen Bereich L oder nahe
hierzu angeordnet.
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Der
Träger T weist einen Schlitz S im Bereich des auszuleuchtenden
linienförmigen Bereichs L auf. Dieser kann, wie oben bereits
ausgeführt wurde, durch eine Fase F abgeschrägt
sein, damit das rückgestreute Licht den linienförmigen
Bereich L aus den verschiedensten Winkeln erreichen kann. Die Gruppen
von Lichtquellen S1, S2, S3 und S4 können vorzugsweise
einzeln angesteuert werden.
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Die 6a(1) und 6a(2) zeigen
die Vorrichtung 1 in einem Betriebszustand, in dem die
Lichtquellengruppe S1 aktiv ist. Diese Gruppe ist, wie in 6a(2) erkennbar ist, rein beispielhaft so gekippt, dass
der nordwestliche Bereich des Streukörpers SK verstärkt
ausgeleuchtet wird. Dabei wird in 6a(1) und
bei der Beschreibung der anderen entsprechenden Figuren davon ausgegangen,
dass oben Norden, unten Süden, links Westen und rechts
Osten ist.
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Wie
in 6a(1) erkennbar ist, ist der
Streukörper SK hier rein beispielhaft als Halbkugel ausgebildet.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann der Streukörper
jedoch auch anders, beispielsweise als Kugel, Ellipsoid, Zylinder,
Freiformfläche, insbesondere aber auch als eine Ebene ausgebildet
sein. Bei einer derartigen Anordnung sind die Lichtquellen S1 dann,
beispielsweise auf dem Träger T, auf der Seite des linienförmigen
Bereichs L, unterhalb der Ebene, in welcher der Streukörper
vorgesehen ist, angeordnet.
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Ein
Lichtstrahl R1, der beispielhaft für viele andere Lichtstrahlen
steht, geht aus von der Lichtquellengruppe S1 und trifft auf den
Streukörper SK. Durch die realen, nicht idealen retroreflektierenden Eigenschaften
des Streukörpers SK und/oder dessen retroreflektierende
Beschichtung wird eine Vielzahl von Strahlen R1' in den Streubereich
SB1 in einer Umgebung der Lichtquellengruppe S1 zurückreflektiert
und überdeckt, beziehungsweise beleuchtet den linienförmigen
Bereich L, wie aus 6a(1) deutlich wird.
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6b zeigt
die Vorrichtung 1 in einem Betriebszustand, in dem die
Lichtquellengruppe S2 aktiv ist. Diese Gruppe ist hier rein beispielhaft
so gekippt, dass der nordöstliche Bereich des Streukörpers
verstärkt ausgeleuchtet wird.
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6c zeigt
die Vorrichtung 1 in einem Betriebszustand, in dem die
Lichtquellengruppe S3 aktiv ist. Diese Gruppe ist hier rein beispielhaft
so gekippt, dass der südwestliche Bereich des Streukörpers
SK verstärkt ausgeleuchtet wird.
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6d zeigt
die Vorrichtung 1 in einem Betriebszustand, in dem die
Lichtquellengruppe S4 aktiv ist. Diese Gruppe ist hier rein beispielhaft
so gekippt, dass der südöstliche Bereich des Streukörpers SK
verstärkt ausgeleuchtet wird.
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Durch
die unterschiedliche Ausrichtung der Lichtquellengruppen S1 bis
S4 kann ein besonders großer Bereich des Streukörpers
bestrahlt werden, sodass auch die Beleuchtungsstärke in
dem linienförmigen Bereich L zunimmt, dadurch, dass eine
große Fläche des Streukörpers SK beleuchtet
wird und das Licht jeweils in die Nähe der Lichtquellen
S1, S2, S3 und S4 reflektiert wird.
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Um
eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung
des linienförmigen Bereichs L zu erreichen, sind die Lichtquellen
vorzugsweise derart angeordnet, dass entlang einer Linie L'1 jeweils
zwei oder mehr abwechselnd angeordnete Lichtquellen vorgesehen sind,
die unterschiedliche Bereiche der Innenfläche des Streukörpers
SK beleuchten. Eine entsprechende Anordnung der Lichtquellen ist
vorzugsweise auch entlang der Linie L'2 vorgesehen. Auf diese Weise
kann durch eine regelmäßig wechselnde Anordnung
der Lichtquellen, die unterschiedliche Bereiche des Streukörpers
SK beleuchten, eine große Beleuchtungsstärke in
dem linienförmigen Bereich L erzielt werden, wobei sich
die Streubereiche SB der einzelnen Lichtquellen, insbesondere benachbarter Lichtquellen
vorzugsweise überlappen.
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Dadurch,
dass die Linien L'1 und L'2, entlang derer die Lichtquellen S1,
S2, S3 und S4 angeordnet sind, im Wesentlichen parallel zu dem linienförmigen Bereich
L ausgerichtet sind, wird der linienförmige Bereich L von
sämtlichen Streubereichen SB1, SB2, SB3 und SB4 erfasst.
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Wie
oben bereits ausgeführt wurde, können mehrere
einzelne oder auch Gruppen von Lichtquellen vorgesehen sein, die
nahe des zu beleuchtenden linienförmigen Bereichs L angeordnet
sind und die viele verschiedene Bereiche des Streukörpers
SK beleuchten, also im Raum derart orientiert, beispielsweise gekippt
sind, dass sie in unterschiedliche Richtungen leuchten. Beispielsweise
kann wie in 6a(2) vorgesehen sein, dass
die Lichtquellen S1 in eine dem linienförmigen Bereich
L abgewandten Richtung leuchten, es ist jedoch auch denkbar, dass sie
in einer L zugewandten Richtung den Streukörper SK beleuchten.
Entscheidend ist, dass die Streubereiche SB sämtlicher
Lichtquellen den linienförmigen Bereich L erfassen. Auf
diese Weise wird das Licht der Lichtquellen großflächig
von dem Streukörper SK reflektiert und beleuchtet gebündelt
den linienförmigen Bereich L.
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7 zeigt
eine beispielhafte Anordnung von Lichtquellen S1, S2, S3 und S4,
wobei die Lichtquellen S1 von dem linienförmigen Bereich
L weg in Richtung des Pfeils NW, also auf den nordwestlichen Bereich
des Streukörpers SK gerichtet sind. Zur Vereinfachung sind
in 7 die Streubereiche SB nicht dargestellt. Ferner
sind die Lichtquellen 83 von dem linienförmigen
Bereich L weg in Richtung des Pfeils SW, also auf den südwestlichen
Bereich des Streukörpers SK, die Lichtquellen S2 von dem
linienförmigen Bereich L weg in Richtung des Pfeils NO,
also auf den nordöstlichen Bereich des Streukörpers
SK und die Lichtquellen S4 von dem linienförmigen Bereich
L weg in Richtung des Pfeils SO, also auf den südöstlichen
Bereich des Streukörpers SK gerichtet. Vorzugsweise ist
hierbei vorgesehen, dass jeweils die Lichtquellen S1, S2, S3 und
S4 in Gruppen geschaltet werden.
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Eine
weitere mögliche Anordnung der Gruppen von Lichtquellen
S1, S2, S3 und S4 ist in 8 dargestellt. Entgegen der
in 7 gezeigten Anordnung sind die Lichtquellen nun
in Richtung des linienförmigen Bereichs L gerichtet, wobei
die Gruppe der Lichtquellen S1 in südöstlicher
Richtung, die Gruppe der Lichtquellen S2 in südwestlicher
Richtung, die Gruppe der Lichtquellen S3 in nordöstlicher
Richtung und die Gruppe der Lichtquellen S4 in nordwestlicher Richtung
ausgerichtet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die hier
nicht dargestellten Streubereich SB überlappen, um eine
besonders hohe Beleuchtungsstärke im Bereich des linienförmigen
Bereichs L zu erzielen.
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Weitere
Anordnungen der Gruppen von Lichtquellen oder einzelner Lichtquellen
sind möglich. Beispielsweise können nur zwei Gruppen
S1 und S2 von Lichtquellen verwendet werden, die beispielsweise
in östliche und westliche Richtung oder nördliche
und südliche Richtung geneigt sind. Ebenso sind drei Gruppen
von Lichtquellen S1, S2 und S3 denkbar, die in nördliche,
etwa südwestliche und etwa südöstliche
Richtung geneigt sind. Insbesondere sind auch symmetrische Ausrichtungen
der Lichtquellen möglich, bei denen sich der Azimutwinkel
der Neigung um jeweils 120° unterscheidet. Weitere Anordnungen
mit 5, 6 oder mehr Gruppen von Lichtquellen und symmetrischen oder
asymmetrischen Ausrichtungen der Quellen sind möglich.
Auch die Neigung einzelner Lichtquellen in einer Gruppe kann sich
unterscheiden. Als Sonderfall kann eine Gruppe von Lichtquellen
auch nur aus einer einzelnen Quelle bestehen.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der
Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen,
sodass insofern auf die Beschreibung zu den vorangegangenen Figuren
verwiesen wird. Der obere Teil der 9 zeigt
die Vorrichtung 1 in einer Draufsicht, während der
untere Teil der 9 die Vorrichtung 1 in
Seitenansicht zeigt.
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Bei
dieser Ausführungsform befindet/befinden sich die Lichtquelle/n
zwar nicht körperlich, jedoch virtuell an demselben Ort
im Raum. Dies kann beispielsweise durch einen Strahlteilerspiegel
erreicht werden.
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9 zeigt
eine linienartige Lichtquelle S1, einen Strahlteiler ST und einen
auszuleuchtenden linienförmigen Bereich L eines Objekts,
welche so angeordnet sind, dass die Lichtquelle S1 durch Reflexion
am Strahlteiler ST virtuell am Ort des linienförmigen Bereichs
L zu sein scheint. Der halbkugelförmige Streukörper
SK besitzt retroreflektierende Eigenschaften und/oder eine retroreflektierende
Beschichtung. Ein Lichtstrahl R1, der beispielhaft für
viele andere Lichtstrahlen steht, wird von der Lichtquelle S1 abgestrahlt
und trifft auf den Streukörper SK. Durch die retroreflektierenden
Eigenschaften des Streukörpers SK und/oder dessen retroreflektierende
Beschichtung wird der Strahl R1' an den Ort des linienförmigen
Bereichs L zurückreflektiert.
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Die
retroreflektierende Schicht/Material kann auf verschiedene Weisen
aufgebracht werden. Eine Möglichkeit ist, dass der Streukörper
SK selbst aus einem solchen Material besteht. Weit häufiger
werden allerdings retroreflekierende Lacke verwendet. Dieser Lack
kann retroreflektierende Partikel in Form von mikroskopischen transparenten
Kügelchen enthalten. Die Kügelchen bewirken durch
Reflexion in ihrem Innern eine Rückreflexion genau zurück
in die Richtung, aus der das Licht kommt. Außerdem können
retroreflektierende Folien verwendet werden, die ebenfalls mikroskopische
Partikel enthalten können.
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Der
Lack wird vorzugsweise auf die Oberfläche, insbesondere
auf die Innenseite des Streukörpers SK aufgebracht. Alternativ
kann eine retroreflekierende Folie an der Innenseite des Streukörpers SK
befestigt, insbesondere auf diese aufgeklebt werden. Bei Streukörpern
in Form von Kugeln, Halbkugeln oder Freiformflächen besteht
unter Umständen die Schwierigkeit, dass die Folie diese
Form nicht ohne deutliche Deformationen nachbilden kann. Eine ähnliche
Fragestellung taucht auf, wenn ein Fußball, Volleyball
oder andere kugelförmige Gegenstände aus ebenen
Flächenstücken zusammengesetzt werden sollen.
Beispielsweise können fünf- und/oder sechseckige
Folienstücke, bandförmige, hantelförmige
etc. Folienstücke geschickt zusammengesetzt werden. Alternativ
sind auch kreisrunde, eckige oder beliebig geformte Folienstücke
verwendbar, die sich in ausreichender Weise überlappen.
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Insgesamt
zeigt sich, dass durch die vorteilhafte Verwendung eines Streukörpers
SK, der aus einem retroreflektierenden Material besteht oder zumindest
bereichsweise eine retroreflektierende Beschichtung aufweist, es
in vorteilhafter Weise möglich ist, einen linienförmigen
Bereichs L, insbesondere eines bewegten Objekts, mit einer hohen
Beleuchtungsstärke diffus auszuleuchten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/051186
A1 [0052]